Großes Potenzial für Natrium-Ionen-Batterien

Die Lithium-Ionen-Batterie ist zur Standard-Batterietechnik für E-Autos geworden - doch sie krankt an hohen Kosten, einer kritischen Rohstoffversorgung und sie weist auch erhebliche Nachteile in puncto Nachhaltigkeit auf. Als alternative Batterietechnik ist deshalb in jüngerer Zeit verstärkt die Natrium-Ionen-Batterie (NIB, englisch Sodium-Ion-Battery/SIB) in den Fokus der Autobranche gerückt.

Das Fraunhofer-Institut Forschungsfertigung Batteriezelle (Fraunhofer FFB) in Münster hat nun gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik (Fraunhofer IPT) sowie dem Lehrstuhl PEM der RWTH Aachen und dem Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (Fraunhofer ISI) einen 55-seitigen Lagebericht zu den Perspektiven der Natrium-Ionen-Batterie vorgelegt.

Das Fazit der Studie lautet: "Im Ergebnis präsentiert sich (mit NIB) eine Batterietechnologie mit dem Potenzial zur Verminderung von Rohstoffabhängigkeiten und dem Versprechen niedriger Kosten."

Zwar sei die Lithium-Ionen-Batterie in technischer Hinsicht der SIB oftmals überlegen, doch die Natrium-Variante besteche in Aspekten, die in den letzten Jahren immer wichtiger geworden seien: Lieferkettenresilienz und Nachhaltigkeit.

"Die Rohstoffsituation für Natrium kann aufgrund der vielzähligen und global verteilten Vorkommen als deutlich unkritischer im Vergleich zu Lithium angesehen werden", formulieren die Forscher.

Die Konzentration von Natrium sowohl in flüssigen Quellen, nicht zuletzt dem Meer, als auch in mineralischer Form, zum Beispiel Steinsalz, sei deutlich höher als für Lithium, was den Gewinnungsprozess vereinfache und den damit verbundenen ökologischen Fußabdruck reduziere.

Gleichzeitig wurden auch Aktivmaterialien entwickelt, welche ebenfalls unkritischer bei der Rohstoffbeschaffung seien. Nicht zuletzt biete die NIB eine "hohe technologische Souveränität", was die Dominanz durch China, Korea und andere asiatische Länder mindere.

Zwar gebe es technische Nachteile der NIB, aber auch Vorteile: So gebe es für diese Batterietechnik Vorteile gegenüber der Lithium-Ionen-Batterie (LIB) beim Kathodenmaterial. "Viele der Materialien besitzen vielversprechende technische Eigenschaften wie eine hohe Zellspannung, gute ionische Leitfähigkeit oder Speicherkapazität."

Nachholbedarf habe die NIB aber noch bei der Gesamtkapazität, Zyklenfestigkeit und Stabilität, räumen die Forscher ein. Auch sei die NIB noch empfindlicher gegenüber Feuchtigkeit. Insgesamt gebe es noch "hohen Aufwand bei der Suche, Selektion und Optimierung von Materialien."

Ungewiss sei indes bislang die industrielle Zukunft der Natrium-Ionen-Batterie, erklären die Forscher in der Studie. Bis zum Jahr 2030 belaufen sich die global angekündigten Produktionskapazitäten für NIB-Zellen zwar bereits auf 75 GWh. "Diese hauptsächlich von Zellherstellern gemachten Angaben lassen auf eine schnelle Giga-Skalierung schließen."

Damit diese aber erfolgreich ist, müsse auch die vorgelagerte Lieferkette aufgebaut werden. Dies betreffe das Refinement von Natrium-Verbindungen bis zur batterietauglichen Qualität, aber auch in großem Maße die Skalierung der Aktivmaterialproduktion.

"Bislang wird diese meistens noch von den Zellherstellern selbst betrieben. Für den Einstieg in eine tatsächliche Giga-Fertigung werden jedoch auch die großen Materialproduzenten in die Technologie einsteigen müssen", heißt es dazu in der Studie.